Комбінування електро- і радіохімічних процесів отримання водню і кисню

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2023.04.059
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 26, № 4, 2023 (грудень)
Сторінки 59–66

 

Автори

В. В. Соловей, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: solovey@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-5444-8922

J. Kleperis, Institute of Solid State Physics, University of Latvia (LV-1063, Latvia, Riga, Kengaraga str., 8), e-mail: kleperis@h2lv.eu, ORCID: 0000-0002-1463-902X

М. М. Зіпунніков, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: zipunnikov_n@ukr.net, ORCID: 0000-0002-0579-2962

 

Анотація

Показано, що підвищення ефективності процесу одержання водню може бути забезпечене шляхом інтеграції радіохімічних та електрохімічних процесів. У цьому випадку отримуваний ефект залежить не тільки від прямого радіолізу води, а й від залучення в процес електролізу енергії іонізуючого випромінювання для збудження молекул води, які піддаються електролізу, що призводить до зниження споживання електроенергії для розкладання її газових компонентів. Наведено аналіз основних факторів, що впливають на зниження електроспоживання при електролізі, і показано спорідненість спектрів радикал-іонів, що беруть участь у радіаційних та електрохімічних процесах розкладання води. У результаті радіаційного впливу починається найбільш енергоємна стадія розкладання води, пов’язана з розривом міжмолекулярних зв’язків та утворенням активних частинок, що залучаються до електрохімічного процесу. Встановлено, що утворення водню збільшується завдяки додаванню його прямого виходу при радіолізі й опосередкованого одержання при електролізі, ініційованому активаційними ефектами, зумовлених іонізованим випромінюванням. Показано, що для підвищення прямого радіолітичного виходу водню в міжелектродному просторі електролізера слід розмістити елементи, які містять нанорозмірний порошок діоксиду цирконію. Доведено також, що опромінення діоксиду цирконію, поміщеного у воду, призводить до збільшення в 4 рази виходу водню в порівнянні з варіантом опромінення чистої води. Для підвищення коефіцієнта використання енергетичного потенціалу ядерного палива на АЕС доцільно для застосування запропонованої технології використовувати енергію ТВЕлів, що розміщуються в басейнах витримки відпрацьованого ядерного палива. Це забезпечить утилізацію енергії іонізуючого випромінювання, яке в існуючих технологіях безповоротно втрачається, тому що відводиться у вигляді низькотемпературних теплових викидів у навколишнє середовище, що призводить до теплового забруднення атмосфери.

 

Ключові слова: водень, електроліз, відпрацьовані ТВЕли, енергія, молекули води.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. Горбачов А. К. Технічна електрохімія. Ч. 1. Електрохімічні виробництва хімічних продуктів: підручник / за ред. Б. I. Байрачного. Харків: ВАТ «Видавництво «Прапор», 2002. 254 с.
  2. Козин Л. Ф., Волков С. В. Водородная энергетика и экология. Киев: Наукова думка, 2002. 334 с.
  3. Solovey V., Zipunnikov M., Shevchenko A., Vorobjova I., Kotenko A. Energy effective membrane-less technology for high pressure hydrogen electrochemical generation. French-Ukrainian Journal of Chemistry. 2018. Vol. 6. No. 1. Р. 151–156. https://doi.org/10.17721/fujcV6I1P151-156.
  4. Шпильрайн Э. Э., Малышенко С.П., Кулешов Г. Г. Введение в водородную энергетику / под ред. В. А. Легасова. М.: Энергоатомиздат, 1984. 264 с.
  5. Гамбург Д. Ю, Семенов В. П., Дубовкин Н. Ф., Смирнова Л. Н. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. М.: Химия, 1989. 672 с.
  6. Дзантиев Б. Г., Ермаков А. Н., Попов В. Н. О возможности комбинированного использования тепловой и радиационной составляющих энергии ядерного реактора для получения водорода из воды. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Атомно-водородная энергетика. 1979. Вып. 1 (5). С. 86–96.
  7. Калашников Н. А., Красноштанов В. Ф., Легасов В. А., Русанов В. Д. О возможности применения радиолизных процессов в атомно- водородной энергетике. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Атомно-водородная энергетика и технология. 1981. Вып. 1 (8). С. 63–66.
  8. Cecal A., Hauta O., Macovei A., Popovici E., Rusu I., Melniciuc-Puica N. Hydrogen yield from water radiolysis in the presence of some pillared clays. Revue Roumaine de Chimie. 2008. Vol. 53. No. 9. P. 875–880.
  9. Пикаев А. К., Ершов Б. Г. Первичные продукты радиолиза воды и их реакционная способность. Успехи химии. 1967. Т. XXXVI. Вып. 8. С. 1427–1463.
  10. Paige Abel E., Clause H. K., Severin G. W. Radiolysis and radionuclide production in a flowing-water target during fast 40Ca20+ irradiation. Applied Radiation and Isotopes. 2020. Vol. 158. Paper ID 109049. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2020.109049.
  11. Ershov B. G., Gordeev A. V. A model for radiolysis of water and aqueous solutions of H2, H2O2 and O2. Radiation Physics and Chemistry. 2008. Vol. 77. Iss. 8. P. 928–935. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2007.12.005.
  12. Elliot A. J., Bartels D. M. The reaction set, rate constants and g-values for the simulation of the radiolysis of light water over the range 20 deg to 350 deg C based on information available in 2008. Canada, Mississauga: Atomic Energy of Canada Limited, 2009. 160 p.
  13. Petrik N. G., Alexandrov A. B., Vall A. I. Interfacial energy transfer during gamma radiolysis of water on the surface of ZrO2 and some other oxides. The Journal of Physical Chemistry B. 2001. Vol. 105. Iss. 25. Р. 5935–5944. https://doi.org/10.1021/jp004440o.
  14. LaVerne J. A. H2 formation from the radiolysis of liquid water with zirconium. The Journal of Physical Chemistry B. 2005. Vol. 109. Iss. 12. Р. 5395–5397. https://doi.org/10.1021/jp044167g.
  15. LaVerne J. A., Tondon L. H2 production in the radiolysis of water on CeO2 and ZrO2. Journal of Physical Chemistry B. 2002. Vol. 106. Iss. 2. P. 380–386. https://doi.org/10.1021/jp013098s.
  16. Rusanov A. V., Solovey V. V., Lototskyy M. V. Thermodynamic features of metal hydride thermal sorption compressors and perspectives of their application in hydrogen liquefaction systems. Journal of Physics: Energy. 2020. Vol. 2. No. 2. Paper ID 021007. https://doi.org/10.1088/2515-7655/ab7bf4.
  17. Агаев Т. Н., Иманова Г. Т. Радиационно-термокаталитические процессы получения водорода из воды в присутствии nano-ZrO2. Сборник докладов VI Российской конференции (с приглашением специалистов стран СНГ) «Актуальные проблемы химии высоких энергий», г. Москва, 20–25 октября 2015 г. М.: Издательство «Граница», 2015. С. 110–114.
  18. Solovey V., Nguyen Tien K., Zipunnikov M., Shevchenko A. Improvement of the membrane- less electrolysis technology for hydrogen and oxygen generation. French-Ukrainian Journal of Chemistry. 2018. Vol. 6. No. 2. Р. 73–79. https://doi.org/10.17721/fujcV6I2P73-79.
  19. Rusanov A. V., Solovey V. V., Zipunnikov M. M. Improvement of the membrane-free electrolysis process of hydrogen and oxygen production. Naukovyi visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2021. No. 1. Р. 117–122. https://doi.org/10.33271/nvngu/2021-1/117.
  20. Kleperis J., Solovey V. V., Fylenko V. V., Vanags M., Volkovs A., Grinberga L., Shevchenko A., Zipunnikov M. Self-sufficient PV-H2 alternative energy objects. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashinobuduvannia. 2016. Vol. 19. No. 4. P. 62–68. https://doi.org/10.15407/pmach2016.04.062.
  21. Ран Ф., Адамантиадес А., Кентон Дж., Браун Ч. Справочник по ядерной энерготехнологии / под ред. В. А. Легасова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 752 с.

 

Надійшла до редакції 21.06.2023